
【国内论文】南京大学叶建东教授的研究团队:通过应变竞争效应实现 κ-Ga₂O₃ 在 LiNbO₃ 上的异质外延相工程
日期:2025-08-22阅读:11
由南京大学叶建东教授的研究团队在学术期刊 Applied Physics Letter 发布了一篇名为 Phase engineering of κ-Ga2O3 heteroepitaxy on LiNbO3 by strain competition effect(通过应变竞争效应实现 κ-Ga2O3 在 LiNbO3 上的异质外延相工程)的文章。
项目支持
本研究部分得到了中国国家重点研发计划(2022YFB3605403)、江苏省科技重大专项(BG2024030)以及国家自然科学基金(62425403、62234007、62293522、U21A2071 和 U21A20503)的支持。
背 景
通过应变调控实现的相工程已成为材料科学中的关键策略,使研究者能够精确调控晶体相的稳定性及其功能特性。例如,在过渡金属氧化物 Hf0.5Zr0.5O2 和 SrTiO3 中,应变调控能够实现铁电相与顺电相之间的可逆切换。尤其是在异质外延体系中,由于外延层与衬底之间的晶格失配和热膨胀差异,必然会引入应变,从而为相工程提供额外的调控自由度。这种应变诱导的可调性在氧化镓(Ga2O3)中尤为关键。氧化镓是一种功能氧化物,存在 β、κ、α、γ 和 δ 等多种多晶型,其中只有 β 相在热力学上稳定,而其他亚稳相只能通过异质外延生长以薄膜形式被稳定,而这一过程必然伴随界面失配应变的引入。
主要内容
通过应变调控实现的相工程已成为调节多晶型氧化物半导体性能的有效策略。本研究展示了正交相 κ-Ga2O3 在 LiNbO3 上的异质外延生长,并重点探讨了热膨胀与晶格失配之间应变竞争所驱动的相工程。随着生长温度从 510 °C 提高至 590 °C,κ-Ga2O3 的面内应变从拉伸(+0.16%)转变为压缩(−0.17%)。高分辨率 X 射线衍射和透射电子显微镜结果表明,较高的温度会引入压缩应变,从而抑制厚 γ-Ga2O3 过渡层的形成,并在 κ-Ga2O3 与 γ-Ga2O3 之间实现原子级锐利的界面。这种应变工程显著提升了薄膜的结晶质量,减小了畴扭曲无序,并改善了界面特性。基于高角环形暗场扫描透射电子显微镜的原子尺度分析进一步确认了 κ-Ga2O3 的堆垛序列(A–B–A*–B*)及其沿 [001] 方向的面外反演对称性破缺,揭示了其铁电极化的结构起源,并为未来铁电器件中的极化工程奠定了基础。
创新点
● 通过调控晶格失配与热膨胀失配之间的应变竞争,实现了 κ-Ga2O3 在 LiNbO3 上的异质外延相工程。
● 构建了具有原子级锐利界面和显著提升结晶质量的 κ/γ-Ga2O3 多晶型异质结构。
● 揭示了 κ-Ga2O3 的原子级堆垛序列及 [001] 方向反演对称性破缺,确证其铁电极化的结构起源。
● 为 κ-Ga2O3 极化工程及未来铁电器件应用提供了新的实现途径。
结 论
本研究展示了正交相 κ-Ga2O3 在 LiNbO3 上的异质外延生长,并凸显了应变工程作为相稳定化与界面调控的有效途径。通过升高生长温度,κ-Ga2O3 的面内应变由拉伸调控为压缩,从而实现了具备原子级锐利界面和较低无序度的 κ/γ 多晶型氧化镓异质结构。此外,κ-Ga2O3 在 [001] 方向的原子子晶格堆垛序列被直接揭示,这为其面外反演对称性破缺提供了有力证据,并奠定了其铁电性能的结构基础。

图 1. (a)在不同温度下于 LN(0001)衬底上生长的 κ-Ga2O3 外延层的 XRD 2θ - x 图谱。(b)提取的应变值和摇摆曲线的半高宽随生长温度的变化。(c)κ-Ga2O3(0-68)和 LN(0-3312)晶面的 XRD ω 扫描。(d)κ-Ga2O3 和 LN 的温度相关热膨胀系数,以及由热失配和晶格失配引起的总应变和各分量。从(b)中提取的实验数据也在(d)中显示,以便直接比较。

图 2 分别为在 530℃(a)-(c)和 590℃(d)-(f)下外延 κ-Ga2O3 薄膜的横截面高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)图像和 GPA 图。其中(b)和(e)显示了面内应变 exx 的应变场,(c)和(f)则显示了面外应变 ezz 的应变场。
DOI:
doi.org/10.1063/5.0283790